(57)【要約】【課題】反射型の空間光変調部を使用する空間光変調光学装置において、比較的簡易な構成で高い光利用効率を実現し、装置全体の構成の簡易でかつ光利用効率の高い虚像表示装置及び投射型表示装置を提供する。【解決手段】光源１０と、光源１０から射出した照明光が入射するプリズム４０と、このプリズム４０より射出した照明光が照明する反射型空間光変調部５０とより成り、プリズム４０は、入射した照明光を反射する複数の反射面４１及び４２と、これらの反射面で反射された照明光を偏光成分に応じて分離する偏光分離部４３とを有し、反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、プリズム４０に再入射し、偏光分離部４３にてその偏光状態に応じて分離される構成とする。【選択図】図１
2007033669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、再び前記プリズムにその射出面と同一面より入射し、前記偏光分離部にてその偏光状態に応じて分離される
ことを特徴とする空間光変調光学装置。
【請求項２】
前記光源と前記プリズムとの間に、前記光源から射出する光束の開口数低減部が設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項３】
前記開口数低減部は、ライトパイプである
ことを特徴とする請求項２記載の空間光変調光学装置。
【請求項４】
前記開口数低減部と前記プリズムとの間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項２記載の空間光変調光学装置。
【請求項５】
前記光源は複数の光源から成り、前記光源と前記プリズムとの間に、前記複数の光源から射出する光束を混色又は混合する混合部が設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項６】
前記混合部が、ライトパイプである
ことを特徴とする請求項５記載の空間光変調光学装置。
【請求項７】
前記混合部と前記プリズムとの間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項５記載の空間光変調光学装置。
【請求項８】
前記ライトパイプが、前記プリズムに一体的に形成されて成る
ことを特徴とする請求項３又は６記載の空間光変調光学装置。
【請求項９】
前記ライトパイプと前記プリズムの第１反射面との間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項８記載の空間光変調光学装置。
【請求項１０】
前記プリズムの反射面のうち少なくとも1つは面内に対称軸をもたない非軸対称反射面又は自由曲面反射面とされる
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１１】
前記偏光分離部は、前記複数の反射面のうち、前記偏光分離部に入射する直前の２枚の反射面間の照明光の進行方向に沿う傾き方向に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１２】
前記偏光分離部は、前記プリズム内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して、直交する方向に前記照明光を分離する配置とされ、
前記反射型空間光変調部により変調された光が、前記偏光分離部を透過して前記プリズムから射出される
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１３】
前記光源と、前記プリズムの反射面との間に、拡散部が設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１４】
前記偏光分離部は、その入射側に拡散部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１５】
前記プリズムの前記照明光の射出面は、曲面である
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１６】
前記プリズムの、前記反射型空間光変調部により反射され、再び前記プリズムに入射した照明光が射出する面は、曲面である
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１７】
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置において、
前記空間光変調光学装置は、光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、前記プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、前記虚像光学系に入射する
ことを特徴とする虚像表示装置。
【請求項１８】
前記虚像結像光学系は、前記反射型空間光変調部からの射出光の開口数及び／又は主光線の射出角が、前記反射型空間光変調部の面内の1つの方向とこれとは異なる方向とで互いに異なる
ことを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項１９】
前記虚像結像光学系は、前記反射型空間光変調部の各画素から射出した光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とから構成され、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングを有する
ことを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２０】
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置において、
前記空間光変調光学装置は、光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有し、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、前記プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、前記投射光学系に入射する
ことを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型空間光変調部とその照明光学系から成る空間光変調光学装置に関し、特に、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等の虚像表示装置や、フロントプロジェクション、リアプロジェクションなどの投射型画像表示装置に適用して好適な空間光変調光学装置とこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、各種の表示装置に利用可能な空間光変調部として、透過型液晶パネル等の透過型空間光変調部と平行して、反射型液晶パネル等の反射型空間光変調部を利用する技術が検討されている。
反射型液晶パネルは、透過型液晶パネルと比べて光利用効率に優れているという利点を有する。その反面、この反射型液晶パネルに光源からの光を導き、また反射型液晶パネルによって変調された光を投影レンズや瞳などに導く照明光学系によって画質の良し悪しが左右されるため、これらの光学系の構成に工夫が必要となる。
反射型空間光変調部を用いた空間光変調光学装置としては、例えばキューブ型の偏光ビームスプリッタを用いる方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
前記特許文献１に記載されている光学系においては、図１６にその概略構成図を示すように、キューブ型の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２５の光学面１２５Ａ及び１２５Bに近接させて、それぞれ平面型の光源、または点光源に近い光源を面状に拡大した面状照明用光源装置１２１と反射型空間光変調部１２２を配置した構成としている。
【０００３】
図１６に示すように、この例では、ＰＢＳ１２５の第１の面１２５Ａに対向して偏光子１２３及び面状照明用光源装置１２１がこの順に配置され、また第２の面１２５Ｂに対向して反射型空間光変調部１２２が、第３の面１２５Ｃに対向して四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７がこの順に配置されている。
【０００４】
このような構成において、面状照明用光源装置１２１から射出された光は、偏光子１２３を経由し、ＰＢＳ１２５の偏光分離面１２５Ｅによって偏向され、反射型空間光変調部１２２に到達する。反射型空間光変調部１２２からは、変調された反射光が出力される。この反射光は偏光分離面１２５Ｅ及び四分の一波長板１２６を経由し、反射ミラー１２７の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板１２６を経由し、偏光分離面１２５Ｅによって偏向され、ＰＢＳ１２５の第４の面１２５Ｄから矢印Ｌｏで示すように射出されて、観察領域１３０の人間の瞳１３１に到達し、反射型空間光変調部１２２により変調された画像情報等を観察することができる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５５９６４５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１におけるように、単にＰＢＳを用いる場合は、高い光利用効率をもって空間光変調光学装置を構成することが難しい、という問題がある。
これについて説明すると、図１６に示す空間光変調光学装置では、面状照明用光源装置１２１の各点から射出する照明光の開口数を小さく制御することが困難なため、光利用効率が低下してしまう。たとえば、虚像光学系の瞳径Ｄを６ｍｍ、凹面鏡である反射ミラー１２７の焦点距離ｆを２０ｍｍとすると、この場合、反射型空間光変調部１２２から射出する光束のうち、有効に瞳１３１に届く光束の開口数ＮＡは、
ＮＡ・ｆ＝Ｄ／２
より、
ＮＡ＝０．１５
であり、放射立体角θは８．６度となる。
【０００７】
通常、導光板を用いた面発光光源の場合、ピーク光強度が半分になる立体角は３０度程度と大きい。従って、８．６度以上の放射立体角を有する照明光は、瞳１３１に到達せず非常に光利用効率が悪くなってしまう。
このような空間光変調光学装置を各種の表示装置、特に投射型画像表示装置に用いる場合は、光の利用効率を高めることが重要な課題となっており、光利用効率の悪化は大きな問題となる。
【０００８】
これに対し、ライトパイプを用いて空間光変調光学装置を構成することも考えられるが、特に空間光変調部が反射型である場合は、偏光ビームスプリッタなどの光学部品が光源とこの空間光変調部との間に配置されることから、照明光学系の射出面と空間光変調部との間隔が比較的大きくなり、照明開口数を大とするためには、ライトパイプの長さが長くなってしまうという問題がある。
【０００９】
これについて、図１７を用いて説明する。図１７においては、光源１０から射出される光の光路上にライトパイプ２０、ＰＢＳ６０、反射型空間光変調部５０が配置される場合を示す。そしてその照明条件を、テレセントリックな状態、すなわち中心光線が空間光変調部に垂直に入射する状態として、照明半値角度をθdとする。また、この反射型空間光変調部５０の照明光が入射する幅をＷｄ、ライトパイプ２０との距離をＬｓとする。これより、ライトパイプ２の射出面２３の幅W１ｈは、
Ｗ１ｈ＝Ｗｄ＋２Ｌｓ×ｔａｎ（θｄ）
となる。
【００１０】
このように、透過型空間光変調部に比べてＰＢＳが介在する反射型空間光変調部の場合、ライトパイプ２０の射出面２２との距離Ｌｓは長くならざるを得ないこと、また、照明開口数ＮＡが大きい場合、照明半値角度θｄも大きくなり、結果的にライトパイプ２０の射出面２３の幅Ｗ１ｈは大きくなってしまうことがわかる。
【００１１】
一方、ライトパイプ２０自体の長さも小さくすることはできない。ライトパイプ２０の入射面２１近傍に、ＬＥＤやレーザなどの光源１０が配置され、ここからライトパイプ２の内部に照明光が取り込まれる。ライトパイプ２０の内部に取り込まれた照明光は、ライトパイプ２０の側面２２にて内部全反射をしながら射出面２３に到達する。ライトパイプにおいては、この内部全反射する光量及び回数が多いほど射出面２３から射出する照明光の輝度の均一性は向上する傾向にある。
光源１０から射出する照明光は、９０度以上の放射角をもっており、従って、ライトパイプ２０の側面の傾斜角θhが小さいほど反射回数を多くすることができる。いま、ライトパイプ２０の入射面２１の幅Ｗ２ｈは、光源１０の幅と略同一であることから、輝度の均一性を保つため、側面２２の傾斜角θhを一定値（θh）に抑えるとすると、次式にて示すようにライトパイプ２０の長さＬｈは射出面の幅W１ｈにて決まることになる。
Ｌｈ＝（Ｗ１ｈ−Ｗ２ｈ）／（２×ｔａｎ（θｈ））
【００１２】
これより、ライトパイプ２０の長さＬｈは、射出面の幅Ｗ１ｈが大きくなるにつれて、すなわち照明開口数ＮＡを大とすると大きくなることがわかる。
以上説明した例においては、照明条件をテレセントリックとしたが、反射型空間光変調部５０の周辺に入射する照明光の主光線が傾いている場合には、その傾斜方向によってライトパイプ２０の長さＬｈは影響を受ける。
このように、ライトパイプのみを利用して反射型空間光変調部を用いる光学装置において光利用効率を高めようとすると、小型化に不利となることがわかる。
また以上の空間光変調光学装置において、反射型空間光変調部に入射する光の開口数、主光線角度を制御する場合には、例えば拡散板やフレネルレンズを設けることが考えられるが、その場合は光利用効率を高く保持することが難しいという問題がある。
【００１３】
以上説明した問題に鑑みて、本発明は、反射型の空間光変調部を使用する空間光変調光学装置において、比較的簡易な装置構成をもって、照明の利用効率の低下を抑制することを目的とし、これにより光利用効率が高く、比較的簡易な構成の空間光変調光学装置を用いた虚像表示装置及び投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、このプリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、これら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、再びプリズムにその射出面と同一面より入射し、偏光分離部にてその偏光状態に応じて分離される構成とする。
【００１５】
また、本発明による虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、上述の空間光変調光学装置を用いる構成とするものである。
すなわち本発明は、空間光変調光学装置と、この空間光変調光学装置の表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置において、空間光変調光学装置は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面とこれら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、虚像光学系に入射する構成とする。
【００１６】
更に、本発明は、空間光変調光学装置と、この空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置において、空間光変調光学装置は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有し、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、これら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、プリズムにその射出面と同一面より再入射し偏光分離部によって分離されたのち、投射光学系に入射する構成とする。
【００１７】
上述したように、本発明による空間光変調光学装置は、ＬＥＤやレーザなど比較的小面積の発光部もつ光源から射出する照明光を、複数の反射面を有するプリズムにて反射型空間光変調部の各点における主光線入射角、開口数を制御し、プリズム内部に存在する偏光分離部によって単一偏光状態に検波してから、反射型空間光変調部を照明する。
したがって、このように主光線入射角及び開口数の制御が可能であり、かつ偏光分離機能を有するプリズムを配置することによって、反射型空間光変調部を用いて、高い光利用効率でかつ比較的装置構成が簡易な空間光変調光学装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、反射型空間光変調部を用いる空間光変調光学装置において、比較的簡易な装置構成をもって、光利用効率の低下を抑制することができる。
又、本発明による虚像表示装置及び投射型画像表示装置によれば、光利用効率が高く、装置構成の簡易化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００２０】
〔１〕第１の実施形態例
図１を参照して、本発明による空間光変調光学装置の第１の実施形態例を説明する。本例の空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤや半導体レーザ等より成る光源１０、ライトパイプ２０、反射型偏光板３０、複数の反射面、この例においては２面の反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型液晶パネル等より成る反射型空間光変調部５０によって構成した例を示す。
【００２１】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、ライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。
このように、ライトパイプ２０を設ける場合は、開口数低減部として機能させることができる。更に、光源１０が複数のＬＥＤ、特に赤、緑及び青などの各色のＬＥＤ等より成る場合は、光の混色を効率よく行うことができる。また、複数の単色のＬＥＤ等の光源を用いる場合は、これらの光の混合を効率よく行うことができ、照明光の均一性を保持することができる。
【００２２】
射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される反射型偏光板３０にて、例えばＳ偏光成分（図１の紙面に垂直な偏光成分）は反射され、Ｐ偏光成分（図１の紙面に平行な偏光成分）は透過する。反射されたＳ偏光成分の照明光は、再びライトパイプ２０に入射して光源１０にその一部が戻る。光源１０の発光面の発光部以外の部分には、図示せぬ反射板が設けられているため、戻された照明光は再び反射され反射型偏光板３０に入射する。この過程で、戻された偏光光は、ライトパイプ２０内を内部全反射するためその偏光状態が変化しＰ偏光成分が発生している。従って、そのＰ偏光成分は２回目の入射時に反射型偏光板３０を透過する。残ったＳ偏光光は再びこのルーチンを繰り返すことになる。
したがって、このようにプリズム４０の入射面側に、吸収型ではなく反射型偏光板３０を設ける場合は、より光利用効率を高めることができるという利点を有する。
【００２３】
反射型偏光板３０を透過したＰ偏光成分は、プリズム４０に入射し第１の反射面４１にて反射され、続いて第１の反射面４１による反射光が到達する領域に第１の反射面４１と対向して設けられる第２の反射面４２にて反射される。
本実施例においては、この２つの反射面４１及び４２は、反射型空間光変調部５０の表示面における一の方向とこれとは異なる方向、すなわち例えば長辺方向と短辺方向に対応する矢印ｘで示す長辺方向（ｘ方向）及び矢印ｙで示す短辺方向（ｙ方向）では、曲率の異なるトーリック面となっている。
【００２４】
２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０の内部に存在する偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。透過したＰ偏光はプリズム４０の射出面４４から射出され、反射型空間光変調部５０を照明する。
なお、偏光分離部４３としては、例えば多層構造の高分子フィルムを延伸した構成の偏光分離フィルムや、またはワイヤーグリッドタイプの偏光分離素子などを用いることができる。
【００２５】
反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、光学面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＳ偏光成分のみがこの偏光分離部４３において反射され、プリズム４０の他の射出面４５より矢印Ｌｍで示すように、変調された例えば画像表示光として射出される。
【００２６】
なお、本実施形態例においては、光源１０とライトパイプ２０とを光学的に密着しているため、光利用効率を高く保持することができる。
また、この例においては、ＬＥＤやレーザなど比較的小面積の発光部もつ光源から射出する照明光を、ライトパイプ２０を通すことによって開口数低減とＲＧＢの混色などを行なうことができる。
そしてこの場合、このプリズム４０内の上述したトーリック面より成る反射面４１及び４２を有するプリズム４０において、反射型空間光変調部５０の各画素に対応する主光線入射角、開口数を制御し、プリズム４０の内部に存在する偏光分離部４３によって単一偏光状態に検波してから、反射型空間光変調部５０を照明することができる。
【００２７】
またこの例においては、プリズム４０内に入射する光はＰ偏光に揃えられているが、偏光分離部４３においてごく一部のＰ偏光光は反射される。またプリズム４０の材料によって複屈折が生じる場合には、プリズム４０内を伝搬中に一部がＳ偏光となり、一部の光が偏光分離部４３によって反射される。この光は、虚像表示装置や投射型画像表示装置に適用する場合にいわゆるゴーストの原因となる恐れがある。しかしながら、本実施形態例においては、これらの光をプリズム４０の偏光分離部４３において、破線矢印Ｌｇで示すように、プリズム４０から画像表示光Ｌｍを射出する方向とは異なる方向に射出することができ、ゴーストの原因となる不要光を分離して、画質を損なうことがないという利点を有する。
【００２８】
また、反射型空間光変調部５０の照明条件が、その短辺方向と長辺方向とで異なる場合には、プリズム４０の反射面４１及び４２を、このようにトーリック面とするか、またはその面内に対称軸をもたない非軸対称反射面とすることによって、その照明条件に合わせて効率よく照明することができる。
更に、この例においては、プリズム４０の偏光分離部４３を、複数の反射面のうち、この偏光分離部４３に入射する直前の２枚、すなわちこの場合反射面４１及び４２の間の照明光の進行方向に沿う傾き方向に配置した例を示す。すなわち、このように偏光分離部４３の傾き方向を、第１の反射面４１から第２の反射面４２に向かう照明光の進行方向に沿う方向とすることによって、この照明光の進路を妨げることなくプリズム４３を構成することができるという利点を有する。
以上説明したように、この実施形態例においては、ライトパイプとプリズムを設けるのみの比較的簡易な装置構成をもって、高い光利用効率をもって、所望の開口数、主光線角度の照明条件をもって、反射型空間光変調部への照明が可能な空間光変調光学装置を提供することができる。
【００２９】
〔２〕第２の実施形態例
次に、図２Ａ及びＢを参照して本発明による空間光変調光学装置の第２の実施形態例を説明する。図２Ａにおいては、本実施形態例による空間光変調光学装置１００の概略上面構成図、図２Ｂにおいては、概略側面構成図を示す。この場合においても、空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ２０、拡散部３５、２つのトーリック面より成る反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０によって構成される。図２Ａ及びＢにおいて、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３０】
すなわちこの例においては、図１に示す第１の実施形態例における反射型偏光板に変えて拡散部３５を設ける例を示す。そして、第１の実施形態例においては、反射型空間光変調部５０に対してテレセントリックな照明であったのに対して、本実施形態例においては、図２Ａに示すように、矢印ｘで示す長辺方向（ｘ方向）に対してはテレセントリックであるが、図２Ｂに示すように、矢印ｙで示す短辺方向（ｙ方向）に対しては、ｙ方向に関して照明光が反射型空間光変調部５０の中心に向かって傾いている。すなわちこの場合においても、プリズム４０の反射面４１及び４２をトーリック面とした例を示し、これら複数のトーリック面を経る構成とすることによって、空間光変調部５０の表示面の異なる方向において、アシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
またこの例においては、光源１０とプリズム４０の反射面との間、図示の例ではライトパイプ２０と第１の反射面４１との間に拡散部３５を設けることによって、拡散部３５により照明光の主光線角度や開口数の制御を行うことによって、上述の第１の実施形態例における場合と比較して、照明光の面内及び放射角内での均一性をより高めることができる。
またこの実施形態例においても、上述の第１の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム４０を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部５０を照明することが可能な空間光変調光学装置を提供することができる。
【００３１】
〔３〕第３の実施形態例
次に、図３を参照して、本発明による空間光変調光学装置の第３の実施形態例を説明する。この例においても、空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ２０、２つの反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０によって構成されている。この例においては、ライトパイプ２０の射出面２２及び側面２３が外側に凸の曲面状とした例を示し、また、偏光分離部４３の入射側に拡散部３５を設けた例を示す。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３２】
この例においては、ＬＥＤ等の光源１０から射出した照明光は、ライトパイプ２０の比較的面積が小さい入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。本実施形態例におけるライトパイプ２０のように、側面２３や射出面２２を曲面で構成することによって、ライトパイプ２０の射出面２２から射出する照明光の広がり角を小さくすることができる。
【００３３】
またこの場合においても、プリズム４０の反射面４１及び４２をトーリック面とした例を示し、これら複数のトーリック面を経る構成とすることによって、空間光変調部５０の表示面の異なる方向において、アシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
更にこの場合、偏光分離部４３の入射側に拡散部３５を設けることから、この拡散部３５においても、照明光の開口数及び主光線角度の制御を行うことができる。特にこの場合、偏光分離部４３の入射側に拡散部３５を設けることから、反射型空間光変調部５０において変調された表示光は、再びプリズム４０に入射した後偏光分離部５０を透過せずにここにおいて反射され、射出部４５から外部に射出される構成となる。このため、変調後の表示光が拡散による影響を受けることなく、したがって、画像の品質を損なうことなく上述したような照明光の開口数及び主光線角度の制御を行う機能を拡散部３５にもたせることができ、これにより反射面４１及び４２の設計自由度を高めることができるという利点を有する。
そしてこの実施形態例においても、上述の第１及び第２の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、またプリズム４０を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部５０を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
【００３４】
〔４〕第４の実施形態例
次に、図４を参照して、本発明による反射型空間光変調光学装置の第４の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ領域４２０と反射面４１及び４２、偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０によって構成されている。すなわちこの例においては、プリズム４０とは別体のライトパイプを設けることなく、光束の開口数低減機能と、混色若しくは混合作用を有するライトパイプ領域４２０をプリズム４０に一体的に設ける例を示す。
【００３５】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、プリズム４０に一体的に設けられたライトパイプ領域４２０の先端部４２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第１の反射面４１に入射する。反射された照明光は、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。
本実施形態例においては、この２つの反射面４１及び４２は、その面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のより幅広い制御が可能になる。
【００３６】
そして、これら２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０内部に存在する例えばワイヤーグリッドタイプの偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。透過したＰ偏光は、プリズム４０の射出面４４から射出され、反射型空間光変調部５０を照明する。図示の例では、反射型空間光変調部５０の長辺方向であるｘ方向に対してはテレセントリックであるが、短辺方向であるｙ方向に対して、すなわち図４において上下方向に関しては、照明光が反射型空間光変調部５０の中心から外側に向かって僅かに傾いている例を示す。この例においては、上述したように、プリズム４０の反射面４１及び４２を自由曲面反射面としていることから、このような反射型空間光変調部５０の表示面内の複数の方向に関してアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
またこの実施形態例においても、上述の第１の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム４０を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に反射型空間光変調部５０を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
【００３７】
〔５〕第５の実施形態例
次に、図５を参照して本発明による空間光変調光学装置の第５の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等の光源１０と、ライトパイプ領域４２０と反射面４１及び４２、偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０によって構成される。この例においては、反射型空間光変調部５０により変調された画像表示光は、プリズム４０内の偏光分離部４３を透過して再びプリズム４０の射出面４５から射出される例を示す。
【００３８】
この場合、光源１０から射出した照明光は、プリズム４０に一体的に設けられたライトパイプ領域４２０の先端部４２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第１の反射面４１に入射する。反射された照明光は、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。本実施形態例においては、この２つの反射面４１及び４２は、その面内に対称軸をもたない自由曲面反射面とされ、トーリック面とする場合と比べてより面形状の自由度が高く、きめ細かい照明光の制御が可能になる。
【００３９】
そしてこの例においては、２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０の内部に存在する偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過され、そのまま外部に射出される。そして偏光分離部４３で反射したＳ偏光は、プリズム４０の射出面４４から射出して、反射型空間光変調部５０を照明する。本実施例では、反射型空間光変調部５０の長辺方向であるｘ方向に対してはテレセントリックであるが、反射型空間光変調部５０の短辺方向であるｙ方向に対しては照明光が反射型空間光変調部５０の中心から外側に向かって傾いている。すなわちこの例においても、自由曲面とされる複数の反射面４１及び４２を経ることによって、このようなアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
【００４０】
そして、反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、光学面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＰ偏光成分のみが透過され、プリズム４０の射出面４５より射出される。
偏光分離部４３の種類によっては、反射時に散乱が生じる場合があるが、このように、反射型空間光変調部５０により変調された光が、偏光分離部４３を透過する構成とする場合には、この散乱による影響を回避して、良好な画質をもって画像表示光を射出することができるという利点を有する。
またこの実施形態例においても、上述の第１の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、またプリズム４０を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部５０を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
【００４１】
〔６〕第６の実施形態例
次に、図６Ａ及びＢを参照して本発明による空間光変調光学装置の第６の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等の光源１０と、ライトパイプ領域４２０と反射面４１及び４２、偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０によって構成される。
この例においても、上述の第５の実施形態例と同様に、反射型空間光変調部５０により変調された画像表示光は、プリズム４０内の偏光分離部４３を透過して再びプリズム４０の射出面４５から射出される例を示す。なおこの例において偏光分離部４３は、プリズム４０内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して直交する方向、すなわち図６の紙面と直交する方向に照明光を分離する配置とされ、反射型空間光変調部５０により変調された光が、偏光分離部４３を透過してプリズム４０から射出される例を示す。
【００４２】
この場合、光源１０から射出した照明光は、プリズム４０に一体的に設けられたライトパイプ領域４２０の先端部４２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第１の反射面４１に入射する。反射された照明光は、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。本実施形態例においては、この２つの反射面４１及び４２は、その面内に対称軸をもたない自由曲面反射面とされ、トーリック面とする場合と比べてより面形状の自由度が高く、きめ細かい照明光の制御が可能になる。
【００４３】
そしてこの例においては、２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、プリズム４０の内部に存在する偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過され、そのまま外部に射出される。そして偏光分離部４３で反射したＳ偏光は、プリズム４０の射出面４４から射出して、反射型空間光変調部５０を照明する。本実施例では、反射型空間光変調部５０の長辺方向であるｘ方向に対してはテレセントリックであるが、反射型空間光変調部５０の短辺方向であるｙ方向に対しては照明光が反射型空間光変調部５０の中心から外側に向かって傾いている。すなわちこの例においても、自由曲面とされる複数の反射面４１及び４２を経ることによって、このようなアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
【００４４】
反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、光学面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＰ偏光成分のみが透過され、プリズム４０の射出面４５より射出される。
このような構成とすることによって、この実施形態例においても、偏光分離部４３の反射時の散乱による影響を回避して、良好な画質をもって画像表示光を射出することができるという利点を有する。
またこの実施形態例においても、上述の第１〜第５の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム４０を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に反射型空間光変調部５０を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
【００４５】
〔７〕第７の実施形態例
次に、図７及び図８を参照して本発明による空間光変調光学装置を使用した虚像表示装置の一実施形態例を説明する。この例においては、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等に適用して好適な虚像表示装置の一実施形態例を示す。図７は、この虚像表示装置２００の概略側面構成図、図８Ａは概略上面構成図、図８Ｂは、観察者の瞳側からみた概略側面構成図を示す。図７と図８Ａ及びＢにおいては共通するｘｙｚ座標系を示し、観察者の瞳８０に対して左右（水平）方向をｘ方向、上下（縦）方向をｙ方向、奥行き方向をｚ方向として示す。
図７に示すように、この虚像表示装置２００は、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ領域４２０と反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０、ファインダーレンズ等のコリメーター光学系７０、ホログラム導波路等より成る導光板９０によって構成されている。
【００４６】
図７に示すように、この場合光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学的に密着されたプリズム４０のライトパイプ領域４２０の面積が小さい方の先端部４２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第１の反射面４１に入射する。この第１の反射面４１で反射された照明光は、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。本実施形態例においては、この２つの反射面４１及び４２は、その面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。上述したように、自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光の制御が可能になる。
【００４７】
２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。透過したＰ偏光は、プリズム４０の射出面４４から射出され、反射型空間光変調部５０を照明する。この実施形態例では、反射型空間光変調部５０の画像表示面の長辺方向であるｘ方向に対してはほぼテレセントリックであるが、短辺方向であるｙ方向に対しては、図７に示すように、照明光が反射型空間光変調部５０の中心から外側に向かって傾いて照射されている。このように、自由曲面より成る複数の反射面４１及び４２を経ることによって、反射型空間光変調部５０に対するアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
【００４８】
反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、射出面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＳ偏光成分のみが反射され、射出面４５よりプリズム４０から射出される。
【００４９】
プリズム４０の射出面４５から射出した照明光は、コリメーター光学系７０にて図７に示すｙｚ平面においては、コリメート光学系７０にて画角（すなわち反射型空間光変調部５０の各画素から射出される光の射出角）が互いに異なる光束群とされる。この光束群は、これとは直交するｘｚ平面においては、図８Ａに示すように、画角が互いに異なる平行光束群とされて導光板９０に入射する。図７においては、ｙｚ平面における代表的な平行光束ＬＡ、ＬＢ及びＬＣを、また図８Ａにおいては、ｘｚ平面における代表的な平行光束Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃを示す。
【００５０】
この導光板９０は、図８Ａに示すように、薄い平板型構成とされ、瞳８０に対し奥行き方向に相対向する光学面９１及び９２のうち、光学面９１の一端が、コリメート光学系７０から射出される光が入射する入射部９１Ａとされ、光学面９１の他端は、瞳８０に向かって射出される光が射出する射出部９１Ｂとされる。
上述したように、この例では左右（水平）方向をｘ方向、上下（縦）方向をｙ方向とするものであり、すなわちこの場合、観察者の瞳８０に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像表示光が導光されて瞳８０に入射される構成とするものである。
なお、この虚像表示装置を頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）に適用する場合、照明光学装置や空間光変調部、虚像表示光学系を瞳に対して上方に配置せず、このように横方向に配置する場合は、瞳８０に近接した例えば上方向に配置する場合と比べると、上下の視野内に光学系が設けられないので、良好な外界の観察が可能となる。一方この場合は、導光板９０の内部を導光する距離が比較的長くなるため、以下に述べる工夫が必要となる。
【００５１】
上述の構成において、導光板９０に入射部９１Ａから入射された画像表示光は、入射部９１Ａと対向する位置に光学面９２に設けられる第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３に入射する。この例においては、この第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３は、位置に係らず均等なホログラム表面の干渉縞ピッチを有する構成とする。
【００５２】
そして第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３により回折反射された光は、導光板９０内部において、図８Ａで示すｘｚ平面のｚ方向には、各光束Ｌａ〜Ｌｃが平行光束のまま光学面９１及び９２の間で全反射を繰り返しながら導光し、他端に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に向けてｘ方向に進行する。図８Ａにおいては、光束Ｌａは破線、Ｌｂは実線、Ｌｃは二点鎖線でそれぞれ示す。
本実施形態例においては、導光板９０が薄く、また上述したように導光板９０を進行する光路が比較的長いため、図８Ａに示すように、各画角によって第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に至るまでの全反射回数は異なっている。
【００５３】
これについてより詳細に述べれば、導光板９０に入射する平行光Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃのうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の方に傾きながら入射する平行光Ｌｃの反射回数は、それと逆方向の角度で導光板９０に入射する平行光Ｌａの反射回数よりも少なくなっている。すなわち、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３のホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔のため、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３において回折反射される射出角が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の方に傾きながら入射する平行光の方が、それと逆方向の角度で入射する平行光の射出角よりも大きくなる。
第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に入射した各画角の平行光は、回折反射により全反射条件からはずれ、導光板９０から射出し観察者の瞳８０に入射する。
【００５４】
なお、導光板９０内では、瞳８０に対し上下方向となるｙ方向については反射しない。つまり、図７に示すように、ｙｚ平面において各画角の異なる入射光ＬＡ、ＬＢ及びＬＣは導光板９０内においてｚ方向に反射を繰り返すが、ｙ方向には反射しないで射出部９１Ｂに到達する。
この様子を図８Ｂの概略側面構成図に示す。図８Ｂに示すように、コリメート光学系７０から射出された光は、ｘｙ平面においては収束されて入射部９１Ａから導光板９０内をｘ方向に進行する。このｘｙ平面において導光板９０内を伝播する画角の異なる代表的な入射光をＬ１、Ｌ２及びＬ３で示す。これらの光はｙ方向に収束されて導光板９０の光学面９１及び９２をｚ方向には反射しながら、ｙ方向には反射しないでｘ方向に進行し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４により反射回折されて射出部９１Ｂから射出されて観察者の瞳に入射される。
この場合、上述したように、これらの光はｙ方向には収束されるので、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３のｙ方向の長さに対し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の反射回折面は比較的短い構成としてもよい。
【００５５】
以上説明したｘ方向及びｙ方向の光束の空間光変調部からの射出角及び開口数の違いについて、図９及び１０を用いて説明する。
この虚像表示装置の実施形態例においては、ホログラムを設けた導光板９０を用いているため、観察者の瞳を射出瞳と考えた場合、反射型空間光変調部５０からの映像光の射出角及び開口数ＮＡは、反射型等の空間光変調部の画像表示エリアの例えば長辺（ｘ）方向と短辺（ｙ）方向によって、また、画像表示エリアの中心からの距離によって異なっている。
すなわち、図９に示すように、反射型空間光変調部５０の長辺方向に対応するｘ方向では、各画素から射出される光は、その主光線をそれぞれ一点鎖線で示すように、反射型空間光変調部５０の表示面に対し略垂直でテレセントリックな状態に近く、かつ開口数ＮＡが後述する理由により比較的大きく設定される。
一方、図１０に示すように、短辺方向に対応するｙ方向では、各画素から射出される光は、反射型空間光変調部５０の表示面の中心から離れるほど射出角がテレセントリックな状態、すなわち空間光変調部５０の表示面と画像表示光の一点鎖線で示す主光線とのなす角が垂直な状態から離れていき、しかも開口数ＮＡは比較的小さくされる。
【００５６】
これら図９及び図１０に示す方向における射出角の違いを下記の表１及び表２にそれぞれ示す。各表１及び表２において、光軸からの像高位置において、各画角の中心を通る光の光軸からの角度である主光線角と、その射出光の広がり角である上光線角及び下光線角をそれぞれ示す。
【００５７】
【表１】
2007033669.tif 000003
【００５８】
【表２】
2007033669.tif 000004
【００５９】
表１から、ｘ方向では±２０度程度の広がり角であるのに対し、ｙ方向では±５°程度の広がり角である。すなわちｘ方向では開口数ＮＡが大きく、ｙ方向では開口数ＮＡが小さい。
つまりこの場合、反射型空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちｘ方向及びｙ方向において、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっていることがわかる。
【００６０】
このように、上述の虚像表示装置２００において、開口数ＮＡ及び射出角がｘ方向とｙ方向とに対して異方性を有する構成となる理由について、図１１Ａ及びＢを用いて説明する。
図７及び図８Ａにおいて説明したように、反射型空間光変調部の長辺方向（ｘ方向）と対応する進行方向においては、各画角によって導光板９０内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なるが、図１１Ａに示すように、伝播する光束が全て平行光束であるため、いわば折りたたまれるように光束群が進行して各画角の光束の光路長が変わっても、導光板より射出する画角は不変のため画像を乱すことはない。この場合、コリメート光学系７０でのｘ方向の口径は比較的小さくできる。
【００６１】
これに対し、反射型空間光変調部の短辺方向（ｙ方向）においては、図１１Ｂに示すように、射出瞳から逆光線追跡を行うと明らかなように、ひたすら上下画角が離れていく。上述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳に対して横方向に配置すると、導光板の長さＬは例えば人間の平均的な顔の大きさから６０ｍｍ程度必要となる。導光板９０の内部でｙ方向すなわち上下方向に反射させると像の上下が反転してしまうので、前述したようにｙ方向には反射しないで進行させるとすると、光はコリメート光学系７０に到達するまでに大きく広がってしまい、ｙ向の口径は大きくなる。すなわちこの場合、上下の（ｙ方向の）画角の光線は、反射型空間光変調部５０に対してテレセントリック状態からはずれた構成となる。
【００６２】
一方、ｘ方向及びｙ方向の開口数ＮＡｘ及びＮＡｙは、それぞれ以下の通りとなる。
先ず、ｙ方向の開口数ＮＡｙは、観察者の瞳径をＤとし、コリメート光学系７０の焦点距離をｆとすると、
ＮＡｙ＝Ｄ／（２ｆ）
となる。
【００６３】
これに対し、ｘ方向の開口数ＮＡｘは、上述したように、光束が導光板内で折り返し反射する構成であることから、ｙ方向のように瞳径から一義的に求められない。
すなわち、図１２に示す構成図において逆光線追跡を行うと明らかなように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の縁部と光学面９２とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。逆光線追跡を行うと、この光束の一部（すなわち光学面９２で反射される部分）は反射を繰り返して第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の異なる位置で回折され、コリメート光学系７０に到達する。一方、残りの光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の端部で回折されそのままコリメート光学系７０に到達する。つまり、この光束は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束であるが、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の異なる部分で回折反射して導光板９０内で合波されて伝播する光束が存在することとなる。
瞳８０の全領域に光を到達させるためには、このようないわば分岐する光束を含め照明することが望ましいが、１画素から射出する光を２つの発散光に分岐して照明することは難しい。したがって、図１２に示すように、照明光の見かけのＮＡｘは大きくすることが必要となる。図１２において、図７、図８Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
したがって、この光学系においては、ｘ方向の見かけの開口数ＮＡｘは比較的大きく、ｙ方向の開口数ＮＡｙは比較的小さくなることがわかる。
【００６４】
比較例として、前述の図９及び図１０、上記表１及び２に示す照明条件により、１つのライトパイプを用いて空間光変調光学装置を構成した設計例の概略構成図を図１３Ａ及びＢに示す。この例においては、光源１０、ライトパイプ２０、フレネルレンズ２２０及び拡散板２３０、偏光ビームスプリッタ２４０及び反射型空間光変調部５０により構成した例を示し、図１３Ａにおいては、反射型空間光変調部５０の表示面側からみた概略平面構成図、図１３Ｂにおいては、概略側面構成図を示す。この場合の照明条件は、反射型空間光変調部５０の長辺方向（ｘ方向）と短辺方向（ｙ方向）で非対称になっている。短辺方向（ｙ方向）においては、反射型空間光変調部５０の周辺から射出する表示光束の主光線が広がっていく方向（角度１５．５度）をもっており、発散角は１０度程度と比較的小さい。一方、これに直交する長辺方向（ｘ方向）においては、ほぼテレセントリックな状態であるが、発散角度は４０度と比較的大きい。
【００６５】
このような照明条件の場合には、図１３Ａ及びＢに示すように、ライトパイプ２０の形状が、反射型空間光変調部５０の長辺方向に沿う方向と短辺方向に沿う方向とで、その射出面の幅Ｗ１ｈが大きく異なってくることがわかる。この場合、ライトパイプ２０の長さは、射出面の幅は反射型空間光変調部５０の長辺方向に沿う方向の比較的大きいほうの幅Ｗ１ｈにて決まるため、周辺輝度を中心輝度の６０％という基準で設計すると、全長Ｌｈが図１３Ｂに示すように長くなってしまう。また、ｘ方向の射出面の曲面形状は図１３Ａに示すように極めて曲率半径の小さい特殊な形状となってしまう。
またこの場合、ライトパイプ２０と偏光ビームスプリッタ２４０との間にフレネルレンズ２２０及び拡散版２３０を設けて、反射型空間光変調部５０の画素に対応して入射する光の主光線角度を調整する構成としており、各光学部品の位置合わせなど装置の組み立て工程が煩雑となり、また部品点数も増えるという不都合がある。
これに対し、本発明によれば、上述したように、光源とライトパイプとプリズム、または光源とプリズムのみの簡易な構成でこのような反射型空間光変調部の長辺方向と短辺方向とにアシンメトリーを有する照明条件をもって照明することが可能であり、装置全体の構成の簡易化、小型化、また組み立て作業の簡易化を図ることも可能である。
なお、このようにライトパイプのみで上述の照明条件による照明を行った場合、その光利用効率は３５％程度と低いものであった。
これに対し、本発明における空間光変調光学装置においては、例えば上述の第１の実施形態例における装置構成とする場合に、５０％以上の光利用効率が得られ、ライトパイプのみを用いる場合と比較して、ほぼ１．５倍程度以上の光利用効率の向上を図ることができる。
【００６６】
〔８〕第８の実施形態例
次に、図１４を参照して本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。本例の投射型画像表示装置３００は、前述の第１の実施形態例において説明した構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ２０、反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０、投射光学系３１０、スクリーン３２０によって構成されている。図１４において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６７】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学密着されたライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、ライトパイプ２０の射出面２２より射出し、プリズム４０に入射する。プリズム４０内において、照明光は、第１の反射面４１に反射され、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。本実施例においては、この２つの反射面はその面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のコントロールが可能になる。
【００６８】
２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。反射したＳ偏光はプリズム４０の射出面４４から射出して、反射型空間光変調部５０を照明する。本実施例では、ｘ方向、ｙ方向ともにほぼテレセントリックとした例を示す。
【００６９】
反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、射出面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＰ偏光成分のみが透過され射出面４５よりプリズム４０から射出される。
この例においては、これら射出面４４及び４５を曲面とした場合を示す。このように、プリズム４０の射出面４４及び４５を曲面とすることによって、この面において光学的に作用させることができ、例えば反射面４１及び４２に加えてこれらの射出面４４及び４５においても出射角の制御を行うことができて、反射面４１及び４２の設計自由度をもたせることもできる。また、例えば射出面４５に収束機能を持たせることにより、投射光学系３１０の入射瞳の口径を小さくし、装置の小型化を図ることもできる。
【００７０】
プリズム４０から射出した照明光は、投射光学系３１０によってスクリーン３２０上に投射され、反射型空間光変調部５０の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、高い光利用効率を保持してその構成の簡易化、小型化を図ることができるため、光利用効率にすぐれ、比較的簡易な装置構成の投射型画像表示装置を提供することができる。
【００７１】
〔９〕第９の実施形態例
次に、図１５を参照して本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。本例の投射型画像表示装置３００は、前述の第６の実施形態例において説明した構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、ＬＥＤ等の光源１０、ライトパイプ２０、反射面４１及び４２と偏光分離部４３を有するプリズム４０、反射型空間光変調部５０、投射光学系３１０、スクリーン３２０によって構成されている。図１５において、図６Ａと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００７２】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学密着されたライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、ライトパイプ２０の射出面２２より射出し、プリズム４０に入射する。プリズム４０内において、照明光は、第１の反射面４１に反射され、続いて第１の反射面４１に対向する第２の反射面４２にて反射される。本実施例においては、この２つの反射面はその面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のコントロールが可能になる。
【００７３】
２つの反射面４１及び４２にて反射された照明光は、続いてプリズム４０の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部４３にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。反射したＳ偏光はプリズム４０の射出面４４から射出して、反射型空間光変調部５０を照明する。本実施例では、ｘ方向、ｙ方向ともにほぼテレセントリックとした例を示す。
【００７４】
反射型空間光変調部５０にて反射された照明光は、射出面４４から再びプリズム４０内に入射し、偏光分離部４３に入射する。ここで、反射型空間光変調部５０により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちＰ偏光成分のみが透過され射出面４５よりプリズム４０から射出される。なおこの例において偏光分離部４３は、プリズム４０内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して直交する方向、すなわち図１５の紙面において上方向に照明光を分離する配置とされ、反射型空間光変調部５０により変調された光が、偏光分離部４３を透過してプリズム４０から射出される例を示す。
【００７５】
プリズム４０から射出した照明光は、投射光学系３１０によってスクリーン３２０上に投射され、反射型空間光変調部５０の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、高い光利用効率を保持してその構成の簡易化、小型化を図ることができるため、光利用効率にすぐれ、かつ比較的簡易な装置構成の投射型画像表示装置を提供することができる。
【００７６】
以上説明したように、本発明によれば、従来に比して光利用効率に優れ、また比較的簡易な装置構成をもって空間光変調光学装置及びこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置を提供することができる。
なお、本発明による空間光変調光学装置、虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、以上説明した各実施形態例に限定されるものではなく、その他光源や空間光変調部、ライトパイプなどの種類や配置構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図２】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図３】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図４】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図５】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図６】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図７】本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図８】Ａは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図９】反射型空間光変調部から射出した光のｘ方向の射出角及び開口数の説明図である。
【図１０】反射型空間光変調部から射出した光のｙ方向の射出角及び開口数の説明図である。
【図１１】Ａは射出瞳からｘ方向の逆光線追跡を行った説明図である。Ｂは射出瞳からｙ方向の逆光線追跡を行った説明図である。
【図１２】本発明による虚像表示装置の一実施形態例のｘ方向の開口数の説明図である。
【図１３】Ａは比較例による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは比較例による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図１４】本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図１５】本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図１６】従来の空間光変調光学装置の一例の概略構成図である。
【図１７】比較例による空間光変調光学装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０．光源、２０、ライトパイプ、２１．入射面、２２．射出面、２３．側面、３０．反射型偏光板、３５．拡散部、４０．プリズム、４１．反射面、４２．反射面、４３．偏光分離面、４４．射出面、４５．射出面、５０．反射型空間光変調部、６０．偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、７０．コリメート光学系、８０．瞳、９０．導光板、１００．空間光変調光学装置、２００．虚像表示装置、２１０．虚像表示光学系、３００．投射型画像表示装置、３１０．投射光学系、３１１．スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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